第六章 定子电压定向矢量控制.docx

第六章 定子电压定向矢量控制
在将普通异步电机的矢量控制策略应用到双馈电机的控制系统之中时，最直观的方法是采用对等的方法，将普通异步电机的转子磁场或气隙磁场定向的矢量控制，对应到双馈电机的定子磁场或气隙磁场定向的矢量控制，从而像普通异步电机的矢量控制一样实现双馈电机的电磁转矩和励磁电流的解耦控制。但是采用磁场定向的矢量控制策略对双馈电机实施控制时，存在着以下问题。
1. 磁链观测的准确度不高，如第五章中式5-12、式5-13所描述的，定子磁链的获得受到电机参数的影响； 在采用式5-12进行计算时，积分运算可能会产生积分飘移（主要来自于积分的起始位置、检测模拟器件的偏差以及积分的数字实施过程等），尽管采用的准积分算法滤除了直流偏置的影响，但其动态响应过程，尤其是在电网电压扰动时的动态响应过程受到限制，在一定程度上会影响到系统的动态性能；在采用式5-13所示的电流模型对磁链进行观测时，不仅易受到磁饱和的影响，而且需要将转子电流变换到两相定子静止坐标系中，该过程需要精确的转速测量；另外在利用式5-14进行角度计算时，也存在正切值可能过大溢出的问题。
2. 双馈电机定子侧有功功率和无功功率之间存在耦合。在定子磁场定向的情况下，由于定子电阻的存在，使得定子电压矢量不垂直于其磁链矢量，即定子电压在定子磁场定向的同步旋转坐标系的d轴和q轴均有分量，尽管其d轴分量通常较小。这就造成双馈电机定子侧有功功率和无功功率与转子电流的d轴分量和q轴分量均有关系，也就无法实现有功功率和无功功率的完全解耦。
3. 在基于定子磁链定向双馈电机矢量控制策略中，较大的转子电流d轴分量会影响控制系统的稳定性，这使得双馈电机定子侧无功功率的控制，即双馈电机的无功补偿能力受到限制。

鉴于以上这些原因，双馈电机基于定子电压定向的矢量控制策略就被引入到双馈电机的控制之中。定子电压定向是将同步旋转坐标系的q轴与定子的电压矢量重合，顺时针旋转90度的方向为d轴方向，并且dq坐标系与电压矢量以相同的速度旋转，即：
（6-1）
由前文分析可知，在忽略定子电阻的情况下，在定子静止坐标系中，定子电压与定子磁链之间的关系如下：
（6-2）
式6-2在同步旋转坐标系中可描述为：
（6-3）
式6-2、式6-3表明，在忽略定子电阻的情况下，双馈电机的定子电压矢量超前于定子磁链矢量90度，因此，基于定子电压矢量定向的同步旋转坐标系于基于定子磁链定向的同步旋转坐标系具有统一性。
由此，重写双馈电机在定子电压矢量定向同步旋转坐标系下的定子电压方程：
（6-4）
重写双馈电机的磁链方程为：
（6-5）
可求得：
（6-6）
将式6-6代入式6-4时，得：

=〉
=〉
=〉 （6-7）
双馈电机，尤其是MW级大功率双馈电机，其定子电阻与其感抗相比通常可以忽略。因此，在忽略定子电阻的情况下，式6-7可重新表述为：
（6-8）
在定子电压矢量定向的情况下，可得双馈电机定子侧有功功率和无功功率的表达式：
（6-9）
根据磁链方程，式6-9又可推导为：
（6-10）
由式6-10表明，在定子电压和定子磁链恒定不变的情况下，即稳态运行时，双馈电机定子侧有功功率主要由转子电流的q轴分量决定，而无功功率主要由转子电流的d轴分量决定。在忽略定子电阻的情况下，双馈电机的电磁转矩与定子磁链定向情况下的电磁转矩具有同样的表达式，如式6-11所示：
（6-11）
采用与定子磁链定向双馈电机矢量控制策略相类似的方法，将扰动项前馈补偿控制后，若采用PI调节器对式6-8中转子电流动态项进行控制时，双馈电机的转子电压控制方程可以表述为：
（6-12）
其中：
（6-13）

根据式6-12和式6-13可对双馈电机转子电流内环的控制系统进行设计，然后根据电磁转矩表达式6-11或功率表达式6-10进行矢量控制系统的外控制环设计。
由此，定子电压矢量定向的双馈电机矢量控制结构图如图6-1所示：
图 6-1 双馈电机定子电压定向控制结构图